Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đề tài "Thiết kế và thi công vòng tay đo nhịp tim sử dụng công nghệ IoTs" được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Thanh Hoàng và Nguyễn Khoa Nam, dưới sự hướng dẫn của ThS. Võ Đức Dũng tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (hoàn thành tháng 07/2019).

Bối cảnh thực tiễn của nghiên cứu xuất phát từ thực trạng gia tăng các bệnh lý tim mạch và đột quỵ tại Việt Nam. Theo số liệu thống kê năm 2015 được tác giả trích dẫn, mỗi năm cả nước ghi nhận hơn 200.000 ca đột quỵ (tai biến mạch máu não), trong đó trên 50% trường hợp dẫn đến tử vong và 90% người sống sót phải chịu các di chứng thần kinh và vận động nặng nề. Tỷ lệ nhập viện do đột quỵ trong 3 năm liên tiếp tăng từ 1,7% đến 2%, tỷ lệ nam giới mắc bệnh cao gấp 4 lần nữ giới, và độ tuổi bệnh nhân có xu hướng trẻ hóa từ 50–60 tuổi xuống 40–45 tuổi. Các biến cố tim mạch như ngừng thở đột ngột, tim ngừng đập hoặc huyết áp biến động bất thường thường xảy ra vào ban đêm. Việc theo dõi liên tục các chỉ số sinh hiệu giúp phát hiện sớm dấu hiệu nguy hiểm và giảm thiểu di chứng tàn tật. Tuy nhiên, các thiết bị y tế hiện đại chủ yếu tập trung tại các bệnh viện tuyến trên, trong khi nhu cầu chăm sóc sức khỏe tại nhà cho người cao tuổi còn gặp trở ngại về chi phí và thời gian của người thân.

Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế và thi công hoàn chỉnh mô hình hệ thống vòng tay theo dõi, giám sát nhịp tim và ước lượng huyết áp đảm bảo độ chính xác, kích thước nhỏ gọn, hoạt động liên tục theo thời gian thực, đồng thời truyền dữ liệu qua mạng không dây (Wi-Fi/Internet) để phục vụ giám sát từ xa.

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Tìm hiểu nguyên lý hoạt động sinh lý của tim và các phương pháp xác định nhịp tim, huyết áp trong y học.
  2. Nghiên cứu vi điều khiển ESP8266 và công nghệ truyền thông không dây.
  3. Nghiên cứu phương thức hiển thị thông số và đồ thị trên màn hình OLED và module thời gian thực.
  4. Nghiên cứu lập trình giao diện giám sát trên nền tảng web (HTML/CSS) qua mạng Wi-Fi.
  5. Thiết kế sơ đồ nguyên lý, vẽ mạch in (PCB), lắp ráp phần cứng và in 3D vỏ hộp thiết bị.
  6. Xây dựng giải thuật xử lý tín hiệu, thu thập dữ liệu thực nghiệm và đánh giá độ chính xác so với thiết bị y tế chuyên dụng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu phần cứng: Vi điều khiển ESP8266 (NodeMCU D1 Mini), cảm biến nhịp tim quang học SENS-11574, màn hình hiển thị OLED 0.96 inch, mạch sạc TP4056 và pin Lithium Polymer (LiPo).
  • Đối tượng nghiên cứu phần mềm: Giải thuật lọc và trích xuất tín hiệu xung mạch, chương trình nhúng viết trên Arduino IDE, giao diện web giám sát thời gian thực viết bằng HTML/CSS.
  • Phạm vi nghiên cứu: Mô hình vòng tay ứng dụng giám sát đơn lẻ cho một người dùng, truyền nhận dữ liệu nội bộ qua Wi-Fi cục bộ và máy chủ thời gian thực, chưa triển khai hệ cơ sở dữ liệu lớn để lưu trữ dài hạn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý sinh lý học tim mạch, kỹ thuật đo lường y sinh học và kỹ thuật truyền thông vi điều khiển:

1. Cơ sở lý thuyết sinh lý và tín hiệu tim mạch

  • Tín hiệu nhịp tim (Heart Rate - HR): Đơn vị tính nhịp/phút (BPM). Tác giả phân tích hai chỉ số cơ bản là nhịp tim lúc nghỉ ngơi (Resting Heart Rate - RHR, tiêu chuẩn 60–100 BPM ở trạng thái bình thường) và nhịp tim mục tiêu khi vận động (Target Heart Rate - THR).
  • Điện học tim và dạng sóng điện tâm đồ (ECG): Sự lan truyền xung điện từ nút xoang (SA node, vận tốc ~30 cm/s trong mô tâm nhĩ), qua nút nhĩ thất (AV node, trễ ~100 ms), bó His và mạng sợi Purkinje (vận tốc ~51–60 cm/s) tạo ra các pha khử cực và tái cực. Dạng sóng điện tim chuẩn gồm các thành phần: sóng P (khử cực nhĩ), đoạn PR, phức bộ QRS (khử cực thất), đoạn ST, sóng T (tái cực thất) và sóng U.
  • Huyết áp: Áp lực máu trong động mạch biến thiên từ huyết áp tâm thu (tối đa, 90–140 mmHg) đến huyết áp tâm trương (tối thiểu, 50–90 mmHg).
Nhóm tuổi Chỉ số RHR chuẩn (BPM) Huyết áp tâm thu chuẩn (mmHg) Huyết áp tâm trương chuẩn (mmHg)
Trẻ sơ sinh 100 – 160 75 – 100 50 – 70
Trẻ em (1–10 tuổi) 70 – 120 80 – 110 50 – 80
Thanh thiếu niên (11–17 tuổi) 60 – 100 90 – 120 60 – 80
Người trưởng thành (≥ 18 tuổi) 60 – 100 90 – 140 50 – 90
Vận động viên chuyên nghiệp 40 – 60 90 – 130 60 – 80

2. Phương pháp đo tín hiệu y sinh

  • Phương pháp hấp thụ quang học (Photoplethysmography - PPG): Khi tim co bóp tống máu, thể tích và áp suất máu qua mao mạch thay đổi, làm thay đổi mức độ hấp thụ ánh sáng. Tín hiệu quang nhận được gồm hai thành phần: thành phần một chiều (DC) đặc trưng cho sự hấp thụ cố định của mô, xương và tĩnh mạch; thành phần xoay chiều (AC) biến thiên đồng bộ theo nhịp đập của tim.
  • Phương pháp đo huyết áp: Tác giả phân tích ba phương pháp truyền thống gồm huyết áp kế thủy ngân, huyết áp kế đồng hồ cơ (bằng hơi) và huyết áp kế điện tử tự động (nguyên lý dao động - Oscillometric).

3. Công nghệ phần cứng và giao tiếp

  • Vi điều khiển ESP8266 (NodeMCU D1 Mini): Sử dụng chip Wi-Fi SoC ESP-12, tích hợp chip chuyển đổi USB-UART CH340, hỗ trợ chuẩn Wi-Fi 802.11 b/g/n băng tần 2.4 GHz, hỗ trợ ngăn xếp giao thức TCP/IP và chuẩn bảo mật WPA/WPA2.
  • Chuẩn giao tiếp I2C (Inter-Integrated Circuit): Giao tiếp nối tiếp 2 dây gồm đường xung đồng hồ SCL và đường dữ liệu hai chiều SDA, định địa chỉ 7-bit (hỗ trợ tối đa 112 thiết bị khả dụng trên bus), hoạt động ở chế độ Master-Slave.
  • Chuẩn giao tiếp SPI (Serial Peripheral Interface): Giao tiếp đồng bộ 4 dây tốc độ cao gồm SCK, MISO, MOSI và SS, hoạt động theo chế độ song công (Full Duplex).
  • Công nghệ Web: HTML (HyperText Markup Language) cấu trúc nội dung và CSS (Cascading Style Sheets) định dạng giao diện giám sát.

4. Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm

Nghiên cứu áp dụng phương pháp thiết kế kỹ thuật kết hợp thực nghiệm phần cứng: phân tích tín hiệu cảm biến qua mạch lọc tích cực Sallen-Key, thiết kế phần cứng bằng Altium Designer, lập trình nhúng trên môi trường Arduino IDE, và kiểm chứng độc lập độ chính xác của mô hình bằng cách đo đối chứng trực tiếp với máy đo huyết áp điện tử bắp tay chuyên dụng OMRON HEM-8712 trên các đối tượng thử nghiệm.

Thiết kế và triển khai

1. Kiến trúc hệ thống

Hệ thống được chia thành 5 khối chức năng chính với mối liên kết chặt chẽ:

  • Khối nguồn: Cung cấp điện áp hoạt động ổn định cho toàn mạch.
  • Khối nhận tín hiệu nhịp tim: Thu nhận tín hiệu biến thiên lưu lượng máu từ mao mạch ngón tay/cổ tay chuyển đổi thành tín hiệu điện áp analog.
  • Khối xử lý trung tâm: Nhận tín hiệu analog, thực hiện chuyển đổi ADC, xử lý lọc nhiễu, tính toán giá trị BPM và ước lượng huyết áp, đồng thời điều khiển hiển thị và truyền dữ liệu mạng.
  • Khối hiển thị tại chỗ: Trình diễn các thông số thời gian thực, nhịp tim và huyết áp trực tiếp cho người dùng.
  • Khối dữ liệu Web: Đóng vai trò máy chủ mini tiếp nhận yêu cầu HTTP, truyền tải thông số và vẽ đồ thị biến thiên lên trình duyệt web qua Wi-Fi.
Tên linh kiện / Khối Thông số kỹ thuật chi tiết Vai trò trong hệ thống
NodeMCU Lua D1 Mini SoC ESP8266 (ESP-12), UART CH340, Flash 4MB, Wi-Fi 2.4 GHz, nguồn 5V/3.3V Khối xử lý trung tâm, tính toán số liệu và phát Web Server
Cảm biến SENS-11574 LED AMZGC09 ($\lambda = 525\text{ nm}$), LDR APDS-9008 ($\lambda = 565\text{ nm}$), nguồn 3–5V, dòng $<4\text{ mA}$ Thu nhận tín hiệu thể tích mạch máu quang học qua da
Màn hình OLED 0.96" Độ phân giải $128 \times 64$ điểm ảnh, công suất $0.04\text{ W}$, góc nhìn $>160^\circ$, giao tiếp I2C Khối hiển thị tại chỗ các giá trị BPM, huyết áp và đồng hồ
Pin Lithium Polymer (LiPo) Loại 1-cell, điện áp $3.7\text{ V}$, dung lượng $1000\text{ mAh}$, kích thước $25 \times 41 \times 8\text{ mm}$ Cung cấp nguồn điện di động cho toàn bộ vòng đeo tay
Module sạc TP4056 IC quản lý sạc 2 giai đoạn (dòng hằng CC $1\text{ A}$ $\rightarrow$ áp hằng CV $4.2\text{ V}$), cổng MicroUSB Quản lý nạp an toàn cho pin LiPo từ nguồn ngoài 5V

2. Thiết kế mạch cảm biến và mạch nguồn

  • Mạch xử lý cảm biến SENS-11574: Tín hiệu dòng điện sinh ra từ cảm biến ánh sáng APDS-9008 được đưa qua điện trở tải, tụ lọc C2 và bộ lọc thông cao tích cực cấu trúc Sallen-Key (gồm các linh kiện C3, C4, R5, R6 và Op-Amp U2). Bộ lọc này có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu xoay chiều do nhịp tim tạo ra, đồng thời triệt tiêu hoàn toàn nhiễu công nghiệp tần số 50 Hz từ lưới điện và ánh sáng môi trường. Mức điện áp tĩnh ngõ ra được đưa về ngưỡng $V_{CC}/2$ để bộ chuyển đổi ADC trên ESP8266 đọc chính xác các đỉnh xung.
  • Mạch sạc pin TP4056: Thực hiện quá trình sạc hai giai đoạn cho pin LiPo 1-cell. Ban đầu, module giữ dòng sạc không đổi ở mức 1A (sạc dòng hằng - CC). Khi điện áp pin đạt 4.2V, mạch chuyển sang chế độ ổn áp (sạc áp hằng - CV) và dòng sạc giảm dần. Quá trình nạp kết thúc khi dòng giảm xuống còn khoảng 10% dòng danh định ban đầu (100 mA).

3. Thi công phần cứng và đóng gói

  • Mạch in PCB 2 lớp được thiết kế trên phần mềm Altium Designer 17, phân tách thành bo mạch xử lý trung tâm và bo mạch hiển thị.
  • Sau khi gia công mạch in và hàn ráp linh kiện dán (SMD) cùng linh kiện cắm, toàn bộ hệ thống được kiểm tra thông mạch và điện áp ngõ vào/ngõ ra bằng đồng hồ vạn năng VOM.
  • Vỏ hộp ngoài của vòng đeo tay được vẽ mô hình 3D và gia công hoàn thiện bằng công nghệ in 3D, tạo thành cấu trúc thiết bị đeo tay hoàn chỉnh.

4. Giải thuật và lưu trình phần mềm

Chương trình nhúng được xây dựng theo lưu đồ thuật toán tuần tự:

  1. Khởi tạo: Khởi tạo các biến hệ thống, cấu hình chân GPIO, nạp các thư viện I2C (Wire.h), màn hình OLED (Adafruit_SSD1306.h).
  2. Kết nối mạng & Đồng bộ thời gian: Kết nối ESP8266 vào mạng Wi-Fi cấu hình sẵn, truy cập máy chủ NTP để cập nhật thời gian thực.
  3. Thu thập và xử lý tín hiệu: Đọc tín hiệu analog từ cảm biến SENS-11574 theo chu kỳ, nhận diện đỉnh sóng R của chu kỳ tim, tính toán khoảng thời gian giữa các nhịp để quy đổi ra chỉ số nhịp tim BPM và ước tính các thông số huyết áp liên quan.
  4. Hiển thị và truyền tải: Cập nhật thông số tức thời lên màn hình OLED $128 \times 64$, đồng thời nạp dữ liệu vào mã nguồn HTML/CSS cục bộ để xuất ra biểu đồ và bảng theo dõi trên giao diện web.

Nội dung chính theo từng chương

Đồ án tốt nghiệp được kết cấu thành 6 chương chuyên môn với các nội dung chi tiết:

Chương 1: Tổng quan

Trình bày tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ nhu cầu thực tiễn trong chăm sóc sức khỏe bệnh nhân tim mạch và người cao tuổi. Phân tích thực trạng trong nước (hạn chế về cơ sở vật chất, cảm biến liên tục chưa phổ biến) và ngoài nước (sự phát triển của các thiết bị thương mại như Apple Watch, Xiaomi Band, Samsung Gear Fit). Xác định rõ ràng mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu, phương pháp tiếp cận và giới hạn của đề tài.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Cung cấp hệ thống lý thuyết nền tảng phục vụ thiết kế:

  • Định nghĩa tín hiệu nhịp tim, nhịp tim nghỉ ngơi RHR, nhịp tim mục tiêu THR và các yếu tố ảnh hưởng.
  • Quá trình điện học tim, sự dẫn truyền ion $Na^+$ và $K^+$ qua màng tế bào, các giai đoạn trơ tuyệt đối và trơ tương đối.
  • Cơ chế hình thành các sóng $P$, đoạn $PR$, phức bộ $QRS$, đoạn $ST$, sóng $T$ và sóng $U$ trên tín hiệu điện tâm đồ.
  • Nguyên lý quang phổ thể tích (PPG) với hai thành phần AC và DC; phân tích vị trí đặt cảm biến (đầu ngón tay cho tỷ số tín hiệu trên nhiễu tốt nhất).
  • Cơ chế huyết áp tâm thu, huyết áp tâm trương và các phương pháp đo huyết áp.
  • Cấu trúc phần cứng kit ESP8266 NodeMCU D1 Mini, phần mềm Arduino IDE, hai chuẩn truyền thông vi điều khiển I2C và SPI, cùng cú pháp ngôn ngữ HTML/CSS.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống và phân tích chức năng từng khối. Trình bày chi tiết cấu tạo nguyên lý của cảm biến nhịp tim SENS-11574 với LED siêu sáng AMZGC09 bước sóng 525 nm, quang trở LDR APDS-9008 bước sóng 565 nm và bộ lọc thông cao Sallen-Key chống nhiễu 50 Hz. Tính toán lựa chọn màn hình OLED 0.96 inch giao tiếp I2C và giải pháp cấp nguồn bằng pin LiPo $3.7\text{ V} - 1000\text{ mAh}$ kết hợp module nạp dòng/áp hằng TP4056. Thuyết minh sơ đồ nguyên lý toàn mạch kết nối ESP8266 với các ngoại vi.

Chương 4: Thi công

Mô tả quy trình chuyển đổi từ sơ đồ thiết kế sang sản phẩm vật lý:

  • Thiết kế bo mạch PCB trên Altium Designer 17 cho khối xử lý trung tâm và khối hiển thị.
  • Quy trình lắp ráp, hàn linh kiện và kiểm tra lỗi ngắn mạch bằng VOM.
  • Đóng gói mô hình bằng công nghệ in 3D vỏ hộp vòng đeo tay.
  • Xây dựng lưu đồ thuật toán chính của hệ thống, thuật toán đo nhịp tim, thuật toán ước tính huyết áp và thuật toán thu thập dữ liệu cập nhật lên giao diện Web.
  • Soạn thảo tài liệu hướng dẫn vận hành thiết bị.

Chương 5: Kết quả thực hiện

Trình bày hình ảnh sản phẩm hoàn chỉnh sau khi thi công và các giao diện hiển thị thực tế trên màn hình OLED và trang web giám sát. Công bố số liệu thử nghiệm thực tế đối chứng giữa vòng đeo tay thi công và thiết bị chuẩn OMRON HEM-8712 qua 3 lần đo trên hai đối tượng khác nhau. Thực hiện phân tích, so sánh sai số đo đạc và đưa ra các đánh giá kỹ thuật.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Tổng kết mức độ hoàn thành nhiệm vụ theo mục tiêu ban đầu; chỉ ra các ưu điểm về tính cơ động, khả năng kết nối mạng không dây và độ ổn định của mạch. Nêu rõ các hạn chế kỹ thuật còn tồn tại và đề xuất các hướng nâng cấp hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Phần cứng: Thi công thành công mô hình vòng tay đo nhịp tim nhỏ gọn, tích hợp đồng bộ vi điều khiển ESP8266, cảm biến quang SENS-11574, màn hình OLED 0.96 inch, pin LiPo 1000 mAh và mạch sạc TP4056 vào vỏ hộp in 3D.
  • Phần mềm và giao tiếp: Hệ thống thu thập ổn định tín hiệu nhịp tim, tự động tính toán giá trị BPM, hiển thị rõ nét trên màn hình OLED đồng thời với đồng hồ thời gian thực từ máy chủ NTP. Thiết lập thành công Web Server nội bộ hiển thị bảng số liệu và vẽ đồ thị nhịp tim/huyết áp trực quan theo thời gian.

2. Kết quả thử nghiệm thực nghiệm

Độ chính xác của thiết bị được kiểm chứng bằng phương pháp so sánh đối chuẩn trực tiếp với máy đo huyết áp điện tử OMRON HEM-8712 qua 3 lần đo lặp lại trên 2 đối tượng thử nghiệm:

Đối tượng Lần đo Kết quả thiết bị chuẩn OMRON HEM-8712 Kết quả vòng tay IoT thi công Đánh giá sai lệch
Người thứ nhất Lần 1 $74\text{ BPM}$ / $118\text{ mmHg}$ $75\text{ BPM}$ / $119\text{ mmHg}$ Sai lệch $\pm 1\text{ BPM}$, $\pm 1\text{ mmHg}$
Lần 2 $73\text{ BPM}$ / $117\text{ mmHg}$ $74\text{ BPM}$ / $118\text{ mmHg}$ Sai lệch $\pm 1\text{ BPM}$, $\pm 1\text{ mmHg}$
Lần 3 $76\text{ BPM}$ / $119\text{ mmHg}$ $75\text{ BPM}$ / $119\text{ mmHg}$ Sai lệch $\pm 1\text{ BPM}$, $0\text{ mmHg}$
Người thứ hai Lần 1 $81\text{ BPM}$ / $122\text{ mmHg}$ $82\text{ BPM}$ / $123\text{ mmHg}$ Sai lệch $\pm 1\text{ BPM}$, $\pm 1\text{ mmHg}$
Lần 2 $80\text{ BPM}$ / $121\text{ mmHg}$ $79\text{ BPM}$ / $121\text{ mmHg}$ Sai lệch $\pm 1\text{ BPM}$, $0\text{ mmHg}$
Lần 3 $82\text{ BPM}$ / $123\text{ mmHg}$ $83\text{ BPM}$ / $124\text{ mmHg}$ Sai lệch $\pm 1\text{ BPM}$, $\pm 1\text{ mmHg}$

Kết quả thử nghiệm cho thấy sai số đo nhịp tim của thiết bị dao động trong khoảng $\pm 1\text{ BPM}$ so với máy đo y tế chuyên dụng, phản ánh độ tin cậy của thuật toán lọc sóng và xử lý xung quang học.

3. Đóng góp của đề tài

  • Đề tài hiện thực hóa thành công một sản phẩm y sinh nhúng kết hợp công nghệ IoTs có giá thành thấp, sử dụng các linh kiện thông dụng nhưng đạt độ ổn định cao.
  • Cung cấp giải pháp phần cứng thu nhận tín hiệu quang tích hợp bộ lọc tương tự Sallen-Key giúp giảm thiểu hiện tượng trôi dạt đường nền và nhiễu nguồn 50 Hz.
  • Đóng góp mô hình tham khảo hoàn chỉnh từ khâu thiết kế mạch in PCB, lập trình nhúng trên ESP8266 đến thiết kế giao diện web theo dõi không dây.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  1. Hệ thống lưu trữ: Hệ thống chưa xây dựng được cơ sở dữ liệu (CSDL) máy chủ hoàn chỉnh để ghi nhận, lưu trữ và truy xuất lịch sử đo đạc của người bệnh trong thời gian dài (dữ liệu hiện chỉ cập nhật hiển thị phiên làm việc hiện thời qua Web Server nhúng).
  2. Phạm vi hạ tầng truyền thông: Việc giám sát phụ thuộc vào mạng Wi-Fi cục bộ tại nơi lắp đặt, chưa tích hợp module mạng viễn thông di động (GSM/GPRS) để gửi tin nhắn cảnh báo khẩn cấp khi người dùng ra ngoài vùng phủ sóng Wi-Fi.
  3. Quy mô đối tượng: Nghiên cứu chỉ mới thử nghiệm trên mô hình cá nhân đơn lẻ, chưa hỗ trợ cơ chế phân quyền quản lý đồng thời nhiều bệnh nhân trên cùng một hệ thống quản trị.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng xây dựng hệ thống cơ sở dữ liệu đám mây (Cloud Database) kết hợp các dịch vụ Web chuyên sâu để quản lý hồ sơ bệnh án điện tử dài hạn.
  • Tích hợp thêm module truyền thông di động (GSM/SIM) để tự động phát cuộc gọi hoặc gửi tin nhắn SMS cảnh báo người thân khi các chỉ số nhịp tim/huyết áp vượt ngưỡng an toàn.
  • Phát triển ứng dụng chuyên dụng trên hệ điều hành Android/iOS kết nối Bluetooth năng lượng thấp (BLE) để tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ của vòng tay.
  • Nghiên cứu thuật toán bù sai số chuyển động khi người dùng vận động mạnh nhằm nâng cao độ chính xác của phép đo quang học.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có cấu trúc rõ ràng cho:

  • Sinh viên các ngành Kỹ thuật Điện tử, Kỹ thuật Y sinh, Kỹ thuật Máy tính và IoT: Học tập phương pháp trích xuất tín hiệu xung quang học PPG, kỹ thuật lọc tích cực Sallen-Key để xử lý nhiễu sinh học, cũng như phương thức giao tiếp ngoại vi qua bus I2C giữa ESP8266 và màn hình OLED.
  • Người làm đề tài nghiên cứu về thiết bị đeo y tế (Wearable Medical Devices): Tham khảo giải pháp thiết kế mạch nguồn di động dùng pin LiPo kết hợp IC sạc TP4056, quy trình bố trí mạch in PCB 2 lớp trên Altium Designer và kỹ thuật đóng gói vỏ thiết bị bằng in 3D.
  • Người phát triển ứng dụng IoT nhúng cơ bản: Tham khảo cách thức cấu hình vi điều khiển ESP8266 hoạt động như một Web Server cục bộ phục vụ giám sát và đồng bộ thời gian thực qua giao thức NTP.

Câu hỏi thường gặp

1. Cảm biến SENS-11574 sử dụng các linh kiện quang học nào và bước sóng hoạt động là bao nhiêu?

Cảm biến SENS-11574 của SparkFun Electronics sử dụng 2 linh kiện quang học chính:

  • Nguồn phát sáng: LED siêu sáng màu xanh lục (Green) mã AMZGC09 của hãng Kingbright, hoạt động ở bước sóng $525\text{ nm}$ với điện áp thuận $V_D = 3.2\text{ V}$.
  • Bộ cảm biến ánh sáng: Quang trở LDR mã APDS-9008 của hãng Avago Technology, hoạt động với điện áp nguồn $V_{CC} = 1.6 - 5.5\text{ V}$, có đỉnh nhạy quang ở bước sóng $565\text{ nm}$.

2. Mạch lọc nào được tích hợp trên cảm biến SENS-11574 để xử lý tín hiệu?

Tín hiệu ngõ ra từ cảm biến ánh sáng APDS-9008 được dẫn qua một bộ lọc thông cao tích cực mô hình Sallen-Key cấu thành từ Op-Amp U2 kết hợp các tụ điện C3, C4 và điện trở R5, R6. Mạch này có chức năng lọc triệt để nhiễu tần số 50 Hz từ lưới điện, khuếch đại biên độ biến thiên AC của mạch máu và đưa mức điện áp tĩnh về $V_{CC}/2$ để vi điều khiển dễ dàng nhận diện đỉnh sóng nhịp tim.

3. Module sạc TP4056 quản lý quá trình nạp pin LiPo theo nguyên lý nào?

Module TP4056 sạc pin LiPo 1-cell theo quy trình 2 giai đoạn:

  • Giai đoạn sạc dòng hằng (Constant Current - CC): Dòng sạc được giữ cố định ở mức 1A để nạp nhanh, làm điện áp pin tăng dần.
  • Giai đoạn sạc áp hằng (Constant Voltage - CV): Khi điện áp pin đạt 4.2V, mạch giữ cố định mức điện áp này và giảm dần dòng sạc. Quá trình sạc tự động ngắt khi dòng sạc giảm xuống còn khoảng 10% dòng ban đầu (~100 mA).

4. Thiết bị nào được nhóm tác giả dùng làm chuẩn đối chứng thực nghiệm và kết quả sai lệch ra sao?

Nhóm tác giả sử dụng máy đo huyết áp điện tử bắp tay OMRON HEM-8712 làm thiết bị chuẩn. Kết quả thử nghiệm qua 3 lần đo trên 2 người cho thấy thiết bị tự thi công đạt sai số đo nhịp tim rất nhỏ, chỉ lệch tối đa $\pm 1\text{ BPM}$ và sai lệch chỉ số huyết áp ước tính trong khoảng $\pm 1\text{ mmHg}$ so với máy OMRON.

5. Vi điều khiển ESP8266 giao tiếp với màn hình OLED 0.96 inch qua chuẩn nào và sử dụng các chân GPIO nào?

ESP8266 giao tiếp với màn hình OLED 0.96 inch thông qua chuẩn giao tiếp nối tiếp 2 dây I2C. Trên sơ đồ nguyên lý của đồ án, chân D1 của ESP8266 được kết nối với đường dữ liệu SDA, và chân D2 được kết nối với đường xung nhịp đồng hồ SCL của màn hình OLED; khối hiển thị được cấp nguồn $3.3\text{ V}$ từ chân ngõ ra của bo ESP8266.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế và thi công vòng tay đo nhịp tim sử dụng công nghệ IoTs" đã hoàn thành toàn diện việc xây dựng một thiết bị y tế cá nhân đeo tay hoàn chỉnh từ phần cứng, giải thuật nhúng đến giao diện giám sát web không dây. Thiết bị chứng minh khả năng đo đạc nhịp tim và ước lượng huyết áp với độ chính xác cao qua kiểm nghiệm đối chứng với thiết bị y tế chuyên dụng OMRON HEM-8712. Mặc dù còn hạn chế về việc lưu trữ cơ sở dữ liệu dài hạn, công trình là một mô hình thực nghiệm kỹ thuật điển hình, thể hiện tính ứng dụng thực tiễn cao trong lĩnh vực kỹ thuật y sinh và giám sát sức khỏe từ xa.